全液压平地机行驶驱动系统散热性能研究

邹林江，陈 强，熊卫民

（三一重工股份有限公司，湖南 长沙 410100）

0 引言

平地机是基础建设施工中担负平整作业任务的重要设备。全液压平地机集机电液于一体，具有传动环节少、作业效率高、易操作、无级变速、自动适应负载能力强及便于实现自动控制等特点，发展前景广阔。全液压平地机的传动系统主要由发动机、液压泵、液压马达、减速平衡箱及车轮组成（如图1所示），与液力机械式平地机相比，省去了液力变矩器、变速箱及驱动桥等机械传动环节。

图1 全液压平地机传动系统

在由单泵并联双液压马达驱动的全液压平地机闭式系统中，闭式系统发热问题成为平地机适应各种复杂工况必须解决的问题。在跑车试验测试过程中，全液压平地机闭式系统产生的热量占到了整个机器热量的80%以上，故从理论上探讨平地机闭式系统的发热情况，对全液压平地机正常行驶及作业有着十分重要的实际意义。

本文通过理论计算，分析全液压平地机闭式驱动液压系统在各工况下的效率和散热能力，并通过试验验证为平地机适应更高的环境温度打好理论基础。

1 全液压平地机闭式驱动系统效率理论分析

液压驱动工程车辆非常关心液压元件的容积效率及机械效率，除效率可影响到系统功率的合理配置、散热、动力性和经济性能指标外，对于作业指标要求严格的机器，容积效率将影响到液压系统的速度输出和速度稳定性，最终影响机器的作业质量和整个系统的寿命。

泵马达的效率一般针对不同使用条件由试验实测取得。而效率经验理论表达式只适用于估计和分析在各种使用条件下的效率变化趋势及影响因素，寻找最佳的使用条件，并将这种分析结构用于泵马达的参数匹配和使用过程的控制中，准确的效率值必须通过试验取得。对泵马达的经验理论效率计算和泵马达效率试验，可真正了解系统的运行情况。

全液压平地机闭式驱动系统由单泵带动双并联马达组成，其工作效率分析如下。

1.1 闭式泵效率分析

1.1.1 泵容积损失与容积效率

因液体的泄漏、压缩等原因而损失的能量称为容积损失。泵经过容积损失后的实际输出功率与泵的理论输出功率之比，即为泵的容积效率[1]。

变量泵容积效率ηpv的经验公式如下[2]：

由式（1）可以看出，泵的容积效率随油液粘度和转速的增加而增加，随压差的增加而减小。

1.1.2 泵机械损失与机械效率

泵的理论输出功率与其实际输入功率之比，即为泵的机械效率。

变量泵的机械效率ηpt经验公式如下[2]：

泵的机械效率与零件间或零件和流体间的摩擦损失有关，当摩擦损失加大时，同样大小的理论输出功率需要较大的输入功率，故机械效率下降。当工作液体的粘度加大、缝隙减小时，因液体摩擦和运动零件间的摩擦力增大，机械效率也会减小。

1.2 马达效率分析

1.2.1 马达容积损失与容积效率

马达容积损失是指单位时间液压马达内部各间隙的泄漏所引起的损耗量。液压马达的理论输入流量与实际输入流量之比，称为马达容积效率。

变量马达的容积效率ηmV经验公式如下：

显然，其大小随油液粘度及转速的增加而增大，随马达进出口压差的增加而减小。

1.2.2 马达机械损失与机械效率

马达机械损失是指各零件间相对运动及流体与零件间相对运动的摩擦而产生的能量损失。马达机械效率等于其运行状态的实际输出扭矩与理论扭矩的比值。

变量马达的机械效率ηmt经验公式如下：

以上各式中，Cs为层流泄漏系数，Cs＝0.8×10－9；Δp为进出口压差，Pa；μ为油液动力粘度，Pa·s；np为泵转速，r／min；nm为马达转速，r／min；β为排量比，β=V／Vmax；CV为层流阻力系数，CV＝0.2×106；Cf为机械阻力系数，Cf＝0.01；TC为与进出口压差和转速无关的一定的扭矩损失，N·m；Vmax为泵全排量，m3／r。

显然，ηmt随油液粘度及转速的增加而减小，随负载压差的增加而增加。

1.3 闭式系统总效率

闭式泵、马达容积效率和机械效率的乘积即为闭式系统总效率，即：

式中：v——平地机行走速度，km／h；

rd——动力半径，m；

i——传动系统传动比；

Vp——变量泵排量；

Vm——马达排量。

结合式（1）～式（6）可绘制闭式系统理论效率曲线（如图2所示）。

图2 闭式系统理论效率曲线

由图2可知：

a）闭式液压系统总效率随压力的增大而增加；

b）闭式液压系统总效率随排量比的增大而增大；

c）马达随排量的增大，行驶速度减少，效率明显提高。

从图2中还可以看出，全液压平地机最恶劣的工况为高速跑车，此时闭式系统效率最低，系统将产生大量的热量。散热系统能否满足跑车工况要求，将直接影响液压系统的可靠性和寿命。

2 闭式系统降温计算

2.1 闭式系统散热功率

因闭式泵、马达的总效率引起的损失功率，即为闭式系统需要的散热功率。

由上分析，可知当闭式系统高速跑车工况时效率最低，其发热量理论公式推断如下[2,3]：

式中，L为系统的流量，L／min；Pt为发热功率，kW。

2.2 闭式系统热平衡计算

闭式系统的发热量主要通过补油泵补入系统的凉油置换热油而带走。如果不计系统元器件的表面散热和管道损失，则单位时间补入系统的凉油与系统内热油达到热平衡所吸收的热量即为系统的散热功率。设系统补入的凉油与系统内热油温差为Δt（单位为℃），则每秒补入的凉油吸收的热量就是系统的散热功率，即：

式中：ρ——液压油密度，kg／L，取0.85；

l——补油泵泵流量，L／min；

Cp——液压油比热，kJ／（kg·°C），取2.15。

即

从式（11）可以看出，闭式系统内油温与油箱油温之差与系统的工作压力成正比关系。对于给定的闭式系统，其补油量和总效率在正常工作范围内基本不变，因此系统内油温与油箱温差主要取决于系统的工作压力，即系统的负荷。

3 试验验证

根据上述分析过程，某全液压平地机的有关参数为：泵v＝140，补油泵v＝28.3cc／r，马达v＝160，发动机转速为2300r／min，传动比为33.726。在环境温度23℃下进行高速跑车试验，车速为30.2km／h，系统压力175bar，根据式（1）～式（6），闭式系统效率计算结果为67%，系统发热量为29.55kW。根据式（11），此时油箱温度较闭式系统应低16.77℃才能保持系统平衡。实际测试结果如图3所示。

图3 闭式系统油温测试

由图3可以看出，通过散热器带走热量，平地机油箱同闭式系统泄油温差平均值为22.4℃，高于理论计算值，同时泄油口温度低于92℃，处于许可范围之内，说明平地机闭式液压系统散热系统可以满足平地机的跑车工况，全液压平地机散热系统和补油系统能够满足平地机的各种工况需求。

4 结论

闭式系统温升平衡情况是全液压平地机所面对的最基本问题，合理的平衡温度可以延长系统元件的使用寿命，提高系统的可靠性。实践证明，本文探讨的闭式系统热平衡问题和方法可以有效评估闭式系统的散热能力，对液压闭式系统的设计具有一定的指导意义。

[1]何存兴.液压元件[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2]姚怀新.行走机械液压传动与控制[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]张志友.闭式液压系统内部油温的测算[J].筑路机械与施工机械化，1999，（3）：5.

[4]张士勇.闭式液压系统内油温分析[J].基建优化，2003，（8）：53-54.